Beschreibung
Kurzschlussring und Kurzschlussläufer für eine Asynchronmaschine
Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussring für eine Asynchronmaschine sowie einen Kurzschlussläufer für eine Asynchronmaschine. Bei einem Läuferkäfig einer Asynchronmaschine müssen die Enden der
Läuferstäbe mit den Kurzschlussringen elektrisch leitend verbunden werden. Die Qualität der Verbindung und deren Zuverlässigkeit ist für die Leistung und die Effizienz der Asynchronmaschine von großer Bedeutung. Eine stoffschlüssige Verbindung ist dabei im Allgemeinen zu bevorzugen.
Aus der Druckschrift DE 10 2012 203 195 A1 ist bekannt, dass die Verbindung der Läuferstäbe mit den Kurzschlussringen durch Schweißen erfolgen kann. Die Läuferstäbe sind dabei bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Die Kurzschlussringe können ebenfalls aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder alternativ aus einem anderen Material wie beispielsweise Aluminium sein. Da die Schmelzpunkte von Kupferwerkstoffen und Aluminiumwerkstoffen deutlich voneinander abweichen, bereitet das Verschweißen von Kupferwerkstoffen mit Aluminiumwerkstoffen Schwierigkeiten. Das Verschweißen artgleicher Werkstoffe ist dagegen weniger schwierig. Allerdings schränkt die Verwendung artgleicher Werkstoffe für Läuferstäbe und Kurzschlussringe die Optimierungsmöglichkeiten bei der Konstruktion von Kurzschlussläufern ein. Hierbei sind nicht nur Leistung und Effizienz von Bedeutung, sondern auch das Gewicht und die Kosten für Material und Herstellung einer Asynchronmaschine spielen eine wichtige Rolle.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine Asynchronmaschine einen Kurzschlussring bereitzustellen, der kostengünstig ist und zuverlässig mit den Enden der Läuferstäbe der Asynchronmaschine verschweißt werden kann.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiter- bildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt einen Kurzschlussring für eine Asynchronmaschine ein, wobei der Kurzschlussring einen Ring aus einem ersten metallischen Werkstoff aufweist. Erfindungsgemäß ist auf der in Radialrichtung äußeren Umfangsfläche des Rings über dessen gesamten Umfang eine Auflage aus einem zweiten metallischen Werkstoff durch Plattieren aufgebracht.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Enden der
Läuferstäbe mit einem Kurzschlussring besonders gut verschweißt werden können, wenn am äußeren Umfang des Kurzschlussrings der gleiche Werkstoff oder zumindest ein Werkstoff aus der gleichen Werkstofffamilie vorliegt wie der Werkstoff, aus dem die Läuferstäbe gebildet sind. Diese Gleichheit oder zumin dest Ähnlichkeit der Werkstoffe wird erreicht, indem bei einem Kurzschlussring, der aus einem beliebigen ersten metallischen Werkstoff gebildet ist, auf dem äußeren Umfang eine Auflage aus einem zweiten Werkstoff aufgebracht ist und dieser zweite Werkstoff aus der gleichen Werkstofffamilie wie der Werkstoff der Läuferstäbe gewählt ist. Im Idealfall sind der Werkstoff der Auflage des
Kurzschlussrings und der Werkstoff der Läuferstäbe identisch. Es ist aber auch möglich, zwei unterschiedliche Legierungen des gleichen Basismetalls zu verwenden, sofern sich die Schmelzbereiche der beiden Legierungen nicht wesentlich unterscheiden. Ein erfindungsgemäßer Kurzschlussring stellt somit einen Werkstoffverbund aus zwei verschiedenen metallischen Werkstoffen dar.
Der Werkstoffverbund ist dabei so gebildet, dass der erste Werkstoff einen inneren Ring bildet, der an seinem äußeren Umfang mit einem äußeren Ring aus einem zweiten Werkstoff verbunden ist.
Ein derartiger Verbund-Kurzschlussring kann hergestellt werden, indem auf einen ersten metallischen Streifen aus einem ersten Werkstoff durch einen
Plattierprozess ein zweiter metallischer Streifen aus einem zweiten Werkstoff aufgebracht wird. Der zweite Streifen bildet dann eine Auflage auf dem ersten Streifen. Durch das Plattieren wird ein streifenförmiger Werkstoffverbund aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet. Der Werkstoffverbund wird anschließend derart zu einem Ring gebogen, dass der zweite Streifen die in Radialrichtung außen liegende Schicht des Rings bildet. Die beiden Enden des um 360° gebogenen Streifens werden bevorzugt durch Schweißen miteinander verbunden, so dass ein geschlossener Ring entsteht. Auf diese Weise wird ein Kurzschluss- ring gebildet, der einen inneren Ring aus einem ersten metallischen Werkstoff und eine über den gesamten Umfang dieses inneren Rings aufgebrachte Auflage aus einem zweiten metallischen Werkstoff umfasst. Ein solcher Kurzschlussring stellt einen in Radialrichtung bi-metallischen Ring dar.
Der besondere Vorteil des beschriebenen Kurzschlussrings besteht darin, dass der erste Werkstoff des Kurzschlussrings unabhängig vom Werkstoff der
Läuferstäbe gewählt werden kann. Er kann so gewählt werden, dass die
Asynchronmaschine hinsichtlich Leistung, Effizienz, Kosten und Gewicht optimiert werden kann. Andererseits weist der Kurzschlussring an seinem äußeren Umfang einen Werkstoff auf, der optimale Bedingungen für das Verschweißen mit den Enden der Läuferstäbe bietet. Der Kurzschlussring kann somit leicht und zuverlässig mit den Läuferstäben verbunden werden. Damit ermöglicht ein
Kurschlussring der beschriebenen Art eine große Flexibilität hinsichtlich der Werkstoffauswahl bei gleichzeitig hervorragenden Bedingungen für eine gute elektrisch leitende Verbindung mit den Läuferstäben.
Der Kurzschlussring wird aus einem plattierten Band hergestellt. Plattierte Bänder können kostengünstig und in hoher Qualität als Halbzeug zur Verfügung gestellt werden. Plattierprozesse, wie beispielsweise Laserwalzplattieren, ermöglichen die Herstellung von Werkstoffverbunden, bei denen die Dicke der einzelnen
Werkstoffstreifen in weiten Bereichen variiert werden kann. Somit ist es möglich, einen Kurzschlussring herzustellen, der zum überwiegenden Anteil aus dem ersten Werkstoff besteht, während die Auflage aus dem zweiten Werkstoff relativ dünn ist. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der erste Werkstoff deutlich kostengünstiger als der Werkstoff der Auflage ist. Bevorzugt kann die Dicke des Rings aus dem ersten Werkstoff mindestens doppelt so groß sein wie die Dicke der Auflage aus dem zweiten Werkstoff. Besonders bevorzugt kann die Dicke des Rings aus dem ersten Werkstoff mindestens dreimal so groß sein wie die Dicke der Auflage aus dem zweiten Werkstoff.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der erste Werkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein. Werkstoffe auf Aluminiumbasis zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht aus. Ferner ist Aluminium ein kostengünstiger Werkstoff, der sich leicht bearbeiten lässt. Somit stellen diese Werkstoffe ein ideales Konstruktionsmaterial für
Kurzschlussringe dar.
Vorteilhafterweise kann der zweite Werkstoff Kupfer oder eine Kupferlegierung sein. Aufgrund ihrer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit sind Werkstoffe auf Kupferbasis die bevorzugten Materialien für die Läuferstäbe in Asynchron maschinen. Wenn die Auflage auf dem äußeren Umfang des Kurzschlussrings aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgeführt wird, kann Werkstoffgleichheit zwischen der äußeren Oberfläche des Kurzschlussring und den Läuferstäben oder zumindest Werkstoffähnlichkeit erreicht werden. Somit liegen sehr gute Bedingungen für eine Schweißverbindung zwischen Kurzschlussring und
Läuferstäben vor.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt einen Kurzschlussläufer für eine Asynchronmaschine ein. Der Kurzschlussläufer umfasst ein Läuferblechpaket, das eine Vielzahl von Aussparungen aufweist, sowie einen Läuferkäfig aus stirnseitig an das Läuferblechpaket angebrachten Kurzschlussringen und aus elektrisch leitenden Läuferstäben, die in die Aussparungen des Läuferblechpakets so eingebracht sind, dass die Läuferstäbe an ihren Endbereichen einen Über- stand über das Läuferblechpaket aufweisen. Die Kurzschlussringe weisen jeweils einen Ring aus einem ersten metallischen Werkstoff auf. Erfindungsgemäß ist auf der in Radialrichtung äußeren Umfangsfläche des Rings über dessen gesamten Umfang eine Auflage aus einem zweiten metallischen Werkstoff durch Plattieren aufgebracht. Ferner sind die Läuferstäbe aus einem Werkstoff gebildet, der artgleich zum Werkstoff der Auflage der Kurzschlussringe ist, und die
Endbereiche der Läuferstäbe sind mit der Auflage der Kurzschlussringe
verschweißt.
Kurzschlussläufer mit erfindungsgemäßen Kurzschlussringen und Läuferstäben, die aus einem artgleichen Werkstoff gebildet sind wie die Auflage auf dem äußeren Umfang der Kurzschlussringe, zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Werkstoffauswahl und eine hervorragende Verbindung zwischen den Kurzschlussringen und den Läuferstäben aus. Artgleich bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die beiden Werkstoffe aus der gleiche Werkstofffamilie stammen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schmelztemperaturen der beiden Werkstoffe nicht weit voneinander entfernt sind. Bei Legierungen, die ein bestimmtes Schmelzintervall aufweisen, sollten sich die Schmelzintervalle der beiden Werkstoffe zumindest überlappen.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 ein plattiertes Band
Fig. 2 einen Kurzschlussring
Fig. 3 einen Kurzschlussläufer mit Kurzschlussringen im Längsschnitt
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein plattiertes Band 8. Das Band 8 weist einen ersten metallischen Streifen 81 auf, auf den ein zweiter metallischer Streifen 82 durch Plattieren aufgebracht ist. Der Werkstoff des zweiten metallischen Streifens 82
unterscheidet sich vom Werkstoff des ersten metallischen Streifens 81. Das Band 8 stellt einen Werkstoffverbund dar.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kurzschlussring 1. Der Kurzschlussring 1 weist einen inneren Ring 2 aus einem ersten Werkstoff auf. Auf dem äußeren Umfang des Rings 2 ist eine Auflage 3 aus einem zweiten Werkstoff aufgebracht. Die Auflage 3 bildet also einen konzentrisch zum inneren Ring 2 angeordneten äußeren Ring. Der Kurzschlussring 1 ist aus einem plattierten Band 8 gemäß Fig. 1 hergestellt. Hierzu wird das Band 8 ringförmig gebogen. Aus dem ersten metallischen Streifen 81 des plattierten Bandes wird der innere Ring 2 des
Kurzschlussrings 1 gebildet, während aus dem zweiten metallischen Streifen 82 des plattierten Bandes die Auflage 3 des Kurzschlussrings 1 gebildet wird. Der Kurzschlussring 1 stellt einen Verbund-Kurzschlussring dar.
Das plattierte Band 8 wird um 360° gebogen, so dass seine beiden Enden aneinander stoßen. Die beiden Enden werden verschweißt, so dass ein
geschlossener Kurzschlussring 1 entsteht, der eine Nahtstelle 11 aufweist.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt eines Kurzschlussläufers 4 mit zwei Kurzschluss- ringen 1 gemäß Fig. 2. Die Achse des Kurzschlussläufers 4 ist mit A bezeichnet.
Der Kurzschlussläufers 4 weist ein Läuferblechpaket 5 mit Aussparungen auf. In die Aussparungen des Läuferblechpakets 5 sind Läuferstäbe 6 eingebracht, von denen in Fig. 3 nur einer dargestellt ist. Die Endbereiche 61 der Läuferstäbe 6 ragen über die Stirnseiten des Läuferblechpakets 5 hinaus.
Ferner weist der Kurzschlussläufers 4 zwei Kurzschlussringe 1 auf. Die
Kurzschlussringe 1 weisen jeweils einen Ring 2 und eine Auflage 3 auf. Der Werkstoff der Auflage 3 ist gleich dem Werkstoff der Läuferstäbe 6. Dies wird durch die gleiche Schraffur dieser Teile verdeutlicht. Die Kurzschlussringe 1 sind jeweils stirnseitig an das Läuferblechpaket 5 angebracht. Die Kurzschlussringe 1 sind so bemessen, dass sie mit ihrem äußeren Umfang an die radial nach innen gerichtete Oberfläche der Endbereiche 61 der Läuferstäbe 6 angrenzen. Die Auflage 3 der Kurzschlussringe 1 befindet sich also unmittelbar neben den werkstoffgleichen Endbereichen 61 der Läuferstäbe 6. Somit liegen sehr günstige Bedingungen für das Verschweißen der Kurzschlussringe 1 mit den
Läuferstäben 6 vor. In Fig. 3 ist die Schweißnaht zwischen Auflage 3 eines Kurzschlussrings 1 und einem Endbereich 61 des Läuferstabs 6 durch die
Bezugsziffer 7 kenntlich gemacht. Das Schweißen kann in axialer oder in radialer Richtung erfolgen. Bevorzugt reicht die Schweißnaht 7 bis zur Stirnseite des Läuferblechpakets 5 hin.
Bezugszeichenliste
1 Kurzschlussring
1 1 Nahtstelle
2 Ring
3 Auflage
4 Kurzschlussläufer
5 Läuferblechpaket
6 Läuferstab
61 Endbereich
7 Schweißnaht
8 Band
81 erster Streifen
82 zweiter Streifen
A Achse